Biyocam sentezi

Biyocam, üç boyutlu bir SiO₂ ağının Na₂O, CaO ve P₂O₅' in dahil edilmesiyle değiştirildiği, özel olarak tasarlanmış silika bazlı bir cam serisidir. Biyocamın, onun kompozitlerinin ve diğer biyoaktif camların sentezi için geleneksel eriyik söndürme, sol-jel, alev sentezi ve mikrodalga ışıması dahil olmak üzere çeşitli yöntemlerle sentezlenmektedir.

Eriyik söndürme sentezi

İlk biyoaktif cam, 1969' da Hench tarafından ilgili oksit öncüllerinin karışımının nispeten yüksek sıcaklıklarda eritilmesiyle geliştirilmiştir. Orijinal biyoaktif cam eriyikten türetilmiştir (%46.1 mol, Si0₂, %24.4 mol, Na₂O, %26.9 mol CaO ve %2.6 mol P₂O₅) ve Bioglass olarak adlandırılmıştır.

Spesifik bir uygulama için cam bileşiminin seçimi, hem nihai kullanım hem de ürünün imalatı ile ilgili olarak, tüm ana bileşenlerin camın en ilgili özellikleri üzerindeki etkisine ilişkin sağlam bir bilgiye dayanmalıdır. Son 40 yıldaki kapsamlı araştırmalara rağmen, klinik kullanım için sadece birkaç cam bileşimi kabul edilmiştir.

ABD Gıda ve İlaç Dairesi FDA onaylı 45S5 ve S53P4 eriyikten türetilmiş bileşimler dört oksitten oluşmaktadır: SiO₂, Na₂O, CaO ve P₂O₅.^[1]^[2] Genel olarak, camlarda çok sayıda element çözülebilmektedir. Al₂O₃, B₂O₃, Fe₂O₃, MgO, SrO, BaO, ZnO, Li₂O, K₂O, CaF₂ ve TiO₂' nin bazı biyoaktif cam bileşimlerinin in vitro veya in vivo özellikleri üzerindeki etkisi bildirilmiştir.^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]^[8]^[9]^[10]

Bununla birlikte, bileşimin biyoaktif ve biyobozunur camların özellikleri ve uyumluluğu üzerindeki etkisi tam olarak anlaşılmamıştır. Eriterek söndürme tekniği ile üretilen iskeleler, in-vivo test sırasında doku entegrasyonunda iyileşmeye ve kusurlara neden olan çok daha az gözenekliliğe sahiptir.

Sol–jel işlemi

Sol-jel yönteminin sistematiğidir.

Sol-jel prosesi, silikat sistemleri ve diğer oksitlerin sentezi için uzun bir kullanım geçmişine sahiptir ve örneğin ince filmlerin, kaplamaların, nanopartiküllerin ve fiberlerin imalatı için yüksek teknolojik önemi olan geniş çapta yayılmış bir araştırma alanı haline gelmiştir. Camların geleneksel eritilerek işlenmesine bir alternatif olan düşük sıcaklıklarda sol-jel işleme teknolojisi, tipik olarak metal-organik ve metal tuzu öncülerinden oluşan bir çözeltinin (sol) sentezini ve ardından kimyasal reaksiyon veya agregasyon yoluyla bir jel oluşumunu içermektedir ve son olarak kurutma, organik uzaklaştırma ve bazen kristalizasyon ve soğutma işlemi için ısıl işlemle sonlanmaktadır. Öncü olarak metal alkoksitleri kullanan düşük sıcaklıklarda sol-jel tekniği ile spesifik silikat biyoaktif camların sentezi, 1991 yılında Li ve diğerleri tarafından gösterilmiştir.^[11]

Biyoaktif camların sentezi için kullanılan tipik öncüler tetraetil ortosilikat, kalsiyum nitrat ve trietilfosfattır. Hidroliz ve poli-yoğunlaşma reaksiyonlarından sonra, camı oluşturmak için daha sonra 600-700 °C' de kalsine edilen bir jel oluşmaktadır. Hazırlama yöntemine bağlı olarak, sol-jel türevli ürünler, örn. ince filmler veya parçacıklar, yüksek bir spesifik yüzey alanı sergileyen oldukça gözeneklidir. Sol-jel prosesi ile biyoaktif silikat cam nanopartiküllerin üretilmesine ilişkin son çalışmalar Hong ve diğerleri tarafından yürütülmüştür.^[12]

Araştırmalarında, nano ölçekli biyoaktif cam partikülleri iki adımın birleştirilmesiyle elde edilmiştir; sol-jel yolu ve birlikte çöktürme yöntemidir, burada öncüllerin karışımı asidik ortamda hidrolize edilmiştir ve ayrıca alkali durumda yoğunlaştırılmıştır. Ardından dondurarak kurutma işlemine tabi tutulmuştur.

Biyoaktif cam nanoparçacıkların morfolojisi ve boyutu, üretim koşulları ve reaktiflerin besleme oranı değiştirilerek uyarlanmaktadır. Camın işlevselliğini ve biyoaktivitesini geliştirmek için çinko, magnezyum, zirkonyum, titanyum, bor ve gümüş gibi biyoaktif camlara farklı iyonlar eklenmektedir. Ancak, bu iyonların eklenmesiyle nano boyutta biyoaktif camların sentezlenmesi genellikle zordur. Daha yakın zamanlarda, Delben ve ark. gümüş katkılı sol-jel türevi biyoaktif cam geliştirdiler ve artan gümüş konsantrasyonu ile Si-O-Si bağ sayısının arttığını ve bunun yapısal yoğunlaşma ile sonuçlandığı bildirilmiştir.^[13] Biyoaktif camdaki gümüş içeriğinin artmasıyla kuvars ve metalik gümüş kristalleşmesinin arttığı, hidroksiapatit kristalleşmesinin ise azaldığı gözlenmiştir.

İnorganik materyalleri sentezlemek için sol-jel tekniğinin çok yönlülüğü hakkında geniş bir fikir birliği vardır ve çeşitli biyoaktif camların üretimi için uygun olduğu gösterilmiştir. Ancak yöntem, üretilebilecek bileşimler açısından da sınırlıdır. Ayrıca, kalan su veya kalıntı çözücü içeriği, üretilen nanoparçacıkların veya nanoliflerin amaçlanan biyomedikal uygulamaları için yöntemin komplikasyonlarına neden olabilmektedir. Organik kalıntıları ortadan kaldırmak için genellikle yüksek sıcaklıkta kalsinasyon adımı gerekmektedir. Ek olarak, sol-jel işleme nispeten zaman alıcıdır ve sürekli bir işlem olmadığı için partiden partiye farklılıklar olabilmektedir.

Daha yeni yöntemler

Daha yeni yöntemler, son yıllarda dikkat çeken Bioglass' ın alev ve mikrodalga sentezini içerir. Alev sentezi, tozları doğrudan bir alev reaktöründe pişirerek çalışmaktadır.^[14] Mikrodalga sentezi, öncülerin suda çözüldüğü, ultrasonik bir banyoya aktarıldığı ve ışınlandığı hızlı ve düşük maliyetli bir toz sentez yöntemidir.^[15]

Kaynakça

^ Hench, L.L. & Paschall, H.A. (1973) Direct chemical bond of bioactive glass-ceramic materials to bone and muscle, J Biomed Mater Res, Vol. 7, No. 3, pp. 25-42.
^ Andersson, O.H., Karlsson, K.H., Kangasniemi, K. & Xli-Urpo, A. (1988). Models for physical properties and bioactivity of phosphate opal glasses. Glastechnische Berichte, 61(10):300-305.
^ Andersson, Ö.H., Liu, G., Karlsson, K.H., Niemi, L., Miettinen, J. & Juhanoja, J. (1990) 'In vivo behaviour of glasses in the SiO2-Na2O-CaO-P2O5-Al2O3-B2O3 system', Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 1(4): 219-227.
^ W.C.A. Vrouwenvelder, C.G. Groot, K. Degroot, Better histology and biochemistry for osteoblasts cultured on titanium doped bioactive glass — Bioglass 45S5 compared with iron-containing, titanium-containing, fluorine containing and boron-containing bioactive glasses, Biomaterials 15 (1994) 97–106.
^ Brink M, Turunen T, Happonen R-P, Yli-Urpo A. Compositional dependence of bioactivity of glasses in the system Na2O-K2O-MgO-CaO-B2O3-P2O5-SiO2. J Biomed Mater Res 1997;37:114-121.
^ Haimi, S., Gorianc, G., Moimas, L., Lindroos, B., Huhtala, H., Räty, S., Kuokkanen, H., Sándor, G.K., Schmid, C., Miettinen, S. & Suuronen, R. (2009) 'Characterization of zinc-releasing three Dimensional bioactive glass scaffolds and their effect on human adipose stem cell proliferation and osteogenic differentiation', Acta Biomaterialia, Vol. 5, No. 8, pp. 3122-3131.
^ V. Aina, G. Lusvardi, G. Malavasi, L. Menabue, C. Morterra, Fluoride-containing bioactive glasses: surface reactivity in simulated body fluids, Acta Biomaterialia 5 (2009) 3548–3562.
^ Zhang, J., Wang, M., Cha, JM. & Mantalaris, A. (2009). The incorporation of 70s bioactive glass to the osteogenic differentiation of murine embryonic stems cells in 3D bioreactors. J. Tissue Eng. Regen. Med. 3(1): 63-71.
^ Gentleman, E., Fredholm, Y.C., Jell, G., Lotfibakhshaiesh, N., O'Donnell, M.D., Hill, R.G. & Stevens, M.M. (2010) 'The effects of strontium-substituted bioactive glasses on osteoblasts and osteoclasts in vitro', Biomaterials, 31(14): 3949-3956.
^ Watts SJ, Hill RG, O’Donnell MD, Law RV. Influence of magnesia on the structure and properties of bioactive glasses. J Non-Cryst Solids 2010;356:517-24.
^ Li R, Clark AE, Hench LL. An Investigation of Bioactive Glass Powders by Sol- Gel Processing. J App Biomater 1991;2(4):231-239.
^ Hong Z, Liu A, Chen L, Chen X, Jing X. Preparation of bioactive glass ceramic nanoparticles by combination of sol-gel and coprecipitation method. J Non- Cryst Solids 2009;355(6):368-372
^ Delben JRJ, Pimentel OM, Coelho MB, Candelorio PD, Furini LN, Santos FA, Vicente FS, Delben AAST. Synthesis and thermal properties of nanoparticles of bioactive glasses containing silver. J Therm Anal Calorim 2009;97:433–436.
^ Brunner, Tobias J.; Grass, Robert N.; Stark, Wendelin J. (2006). "Glass and bioglass nanopowders by flame synthesis". Chemical Communications (13): 1384–6. doi:10.1039/b517501a. PMID 16550274.
^ ESSIEN, ENOBONG R; ATASIE, VIOLETTE N; UDOBANG, ESTHER U (27 July 2016). [ias.ac.in/public/Volumes/boms/039/04/0989-0995.pdf "Microwave energy-assisted formation of bioactive CaO–MgO–SiO2 ternary glass from bio-wastes"] (PDF). Bulletin of Materials Science. 39(4): 989–995. doi:10.1007/s12034-016-1251-6. S2CID 100064762.

[1] Hench, L.L. & Paschall, H.A. (1973) Direct chemical bond of bioactive glass-ceramic materials to bone and muscle, J Biomed Mater Res, Vol. 7, No. 3, pp. 25-42.

[2] Andersson, O.H., Karlsson, K.H., Kangasniemi, K. & Xli-Urpo, A. (1988). Models for physical properties and bioactivity of phosphate opal glasses. Glastechnische Berichte, 61(10):300-305.

[3] Andersson, Ö.H., Liu, G., Karlsson, K.H., Niemi, L., Miettinen, J. & Juhanoja, J. (1990) 'In vivo behaviour of glasses in the SiO2-Na2O-CaO-P2O5-Al2O3-B2O3 system', Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 1(4): 219-227.

[4] W.C.A. Vrouwenvelder, C.G. Groot, K. Degroot, Better histology and biochemistry for osteoblasts cultured on titanium doped bioactive glass — Bioglass 45S5 compared with iron-containing, titanium-containing, fluorine containing and boron-containing bioactive glasses, Biomaterials 15 (1994) 97–106.

[5] Brink M, Turunen T, Happonen R-P, Yli-Urpo A. Compositional dependence of bioactivity of glasses in the system Na2O-K2O-MgO-CaO-B2O3-P2O5-SiO2. J Biomed Mater Res 1997;37:114-121.

[6] Haimi, S., Gorianc, G., Moimas, L., Lindroos, B., Huhtala, H., Räty, S., Kuokkanen, H., Sándor, G.K., Schmid, C., Miettinen, S. & Suuronen, R. (2009) 'Characterization of zinc-releasing three Dimensional bioactive glass scaffolds and their effect on human adipose stem cell proliferation and osteogenic differentiation', Acta Biomaterialia, Vol. 5, No. 8, pp. 3122-3131.

[7] V. Aina, G. Lusvardi, G. Malavasi, L. Menabue, C. Morterra, Fluoride-containing bioactive glasses: surface reactivity in simulated body fluids, Acta Biomaterialia 5 (2009) 3548–3562.

[8] Zhang, J., Wang, M., Cha, JM. & Mantalaris, A. (2009). The incorporation of 70s bioactive glass to the osteogenic differentiation of murine embryonic stems cells in 3D bioreactors. J. Tissue Eng. Regen. Med. 3(1): 63-71.

[9] Gentleman, E., Fredholm, Y.C., Jell, G., Lotfibakhshaiesh, N., O'Donnell, M.D., Hill, R.G. & Stevens, M.M. (2010) 'The effects of strontium-substituted bioactive glasses on osteoblasts and osteoclasts in vitro', Biomaterials, 31(14): 3949-3956.

[10] Watts SJ, Hill RG, O’Donnell MD, Law RV. Influence of magnesia on the structure and properties of bioactive glasses. J Non-Cryst Solids 2010;356:517-24.

[11] Li R, Clark AE, Hench LL. An Investigation of Bioactive Glass Powders by Sol- Gel Processing. J App Biomater 1991;2(4):231-239.

[12] Hong Z, Liu A, Chen L, Chen X, Jing X. Preparation of bioactive glass ceramic nanoparticles by combination of sol-gel and coprecipitation method. J Non- Cryst Solids 2009;355(6):368-372

[13] Delben JRJ, Pimentel OM, Coelho MB, Candelorio PD, Furini LN, Santos FA, Vicente FS, Delben AAST. Synthesis and thermal properties of nanoparticles of bioactive glasses containing silver. J Therm Anal Calorim 2009;97:433–436.

[14] Brunner, Tobias J.; Grass, Robert N.; Stark, Wendelin J. (2006). "Glass and bioglass nanopowders by flame synthesis". Chemical Communications (13): 1384–6. doi:10.1039/b517501a. PMID 16550274.

[15] ESSIEN, ENOBONG R; ATASIE, VIOLETTE N; UDOBANG, ESTHER U (27 July 2016). [ias.ac.in/public/Volumes/boms/039/04/0989-0995.pdf "Microwave energy-assisted formation of bioactive CaO–MgO–SiO2 ternary glass from bio-wastes"] (PDF). Bulletin of Materials Science. 39(4): 989–995. doi:10.1007/s12034-016-1251-6. S2CID 100064762.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]